Scattering - Parameters measurement system for automatic matching network setup in MRI

Working independently, Felix Bloch of Stanford University and Edward Purcell of Harvard University made the first successful nuclear magnetic resonance experiment to study chemical compounds in 1946. Dr Bloch and Dr Purcell were awarded the Nobel Prize for Physics in 1952. In the early 1980s, the first "human" magnetic resonance imaging (MRI) scanners became available, producing images of the inside of the body. Magnetic resonance imaging (MRI) is an imaging technique used primarily in medical settings to produce high quality images of the inside of the human body. MRI is based on the principles of nuclear magnetic resonance (NMR), a spectroscopic technique used by scientists to obtain microscopic chemical and physical information about molecules. The technique was called magnetic resonance imaging rather than nuclear magnetic resonance imaging (NMRI) because of the negative connotations associated with the word nuclear in the late 1970s. MRI started out as a tomographic imaging technique, that produced an image of the NMR signal in a thin slice through the human body. MRI has advanced beyond a tomographic imaging technique to a volume imaging technique. So an MRI is similar to a computerized topography (CT) scanner in that it produces cross-sectional images of the body. Looking at images of the body in cross section can be compared to looking at the inside of a loaf of bread by slicing it. Unlike a CT scan, MRI does not use x-rays. Instead, it uses a strong magnetic field and radio waves to produce very clear and detailed computerised images of the inside of the body. Current MRI scanners produce highly detailed 2-dimensional and 3-dimensional images of the human anatomy. MRI is commonly used to examine the brain, spine, joints, abdomen, and pelvis. The NMR phenomenon can be excited within a sample object, such as a human patient, positioned in a polarizing magnetic field, by irradiating the object with radio frequency (RF) energy at the Larmor frequency. In medical diagnostic applications, this is typically accomplished by positioning the patient to be examined in an RF coil with an RF power amplifier and the same or a different RF coil and a RF preamplifier are used to receive the NMR signal emanating from the patient volume lying within the field of the RF coil. To ensure maximum power transfer between the RF power amplifier and the RF coil, as well as between the coil and the NMR receiver preamplifier, the coil input impedance must match the amplifier output impedance and the preamplifier input impedance. This can be achieved by using an RF coil matching network. Several techniques have been used trough time to face this problem and try to match the impedance in such a way to obtain the best SNR performances and high image resolution. This problem is also related with the two types of RF coils: volume coils and surface coils and which one is better to use in MRI. The main advantage of volume coils is their ability to generate highly homogeneous circularly polarized B1 fields, which translate into equally homogeneous signal sensitivity in “receive” operation. The two main disadvantages of these coils are their fixed geometry and the fact that they are single volume resonators, thus they do not exploit the benefits of multiple-channel detection. Surface coils offer great freedom with respect to their shape and geometric layout in an array. They are commonly arranged such as to tile the region of interest. However, with large coil counts it is a challenge to achieve high performance, ease of handling, and patient comfort at the same time. For optimal SNR and encoding performance, the coil array needs to closely fit the anatomy of interest, which may vary significantly in shape and size for different subjects. Patient-to-patient changes in array geometry will induce variations in the loading and mutual coupling of the coil elements. Given the goal of maximizing SNR performance, such variations require precise tuning, matching, and decoupling strategies. Klaas Prüssmann, in 2009, has introduced the concept of a geometrically adjustable array that he has explored for the specific task of wrist imaging. Therefore, a manually adjustable eight-channel wrist array has been constructed, targeting proton MRI at 3 Tesla. The array accommodates individual wrist sizes by a simple sliding mechanism and was designed to ensure robust SNR performance in a wide range of loading and coupling conditions. But it would be unthinkable in a clinical setup to manually adjust the matching and tuning of an array of coils depending on different patients or different measurements. This led Matteo Pavan in 2010 to develop a modular Automatic Matching Method (AMM) system that can be easily extended to match the output impedance of many different channels at the same time. An underlying point of this system is the capability of matching impedances to any desired point of the complex plane. The core of the matching network is an RF gain and phase detector chip (AD8302, Analog Device), where a fixed reference signal, generated by a Voltage Controlled Oscillator (VCO), is fed into a double hybrid (directivity better than 40dB) and thanks to isolation between different ports of the hybrid is possible to separate the forward and the reflected waves. Those two waves are fed into the gain and phase chip detector that gives at the output two constant voltages, one proportional to the phase difference between the forward and the reflected wave and the other proportional to the ratio of the magnitude of the forward and reflected waves. So the two voltages are dependent of each other and the chip is non linear. In fact, when the detecting phase differences are close to zero, the system does not distinguish phases that differ of 180°. This thesis has been developed in the MRI lab of the Biomedical Department in the ETH University of Zürich. The scope of this thesis is to improve of the previous system used by Matteo Pavan through the creation and application of an innovative way to measure the respective impedance for the automatic matching network setup. In particular the goals of this new system are: • The signal after the double hybrid is divided in two different waves totally independent of each other, • To guarantee a good linearity of the measurements of the impedance and can differentiate the values of the impedance in all the Smith Charts without any problems in the phase differences. • It is possible to measure not only the reflection scattering parameters S11 and S22 that were computed even in the previous system, but also the transmission scattering parameters S12 and S21 that are very important for a more precise calibration of the matching network and for the precise computation of the impedance to be matched. This thesis offers a solid basis to start further development in automatic hardware matching network setup for a 7 Tesla Magnetic Resonance. Using the newly developed system ia as simple as the touch of a button, with a very good Impedance Error but still less accurate than the previous one. However the most important property of this new system is the capability to measure the S12 and S21 parameters without any changes or additions to the hardware. Therefore it is possible to execute a Two Port calibration during an MR image acquisition of a sample (as a patient) with all the hardware inside the MRI room. This can offer a more specific and accurate impedance measure of the coil’s changes in less time (a measure of one impedance takes less than 100 ms). Possible improvements, focused on the improvement of the system without increasing the global time used to measure an impedance, could be: an optimization of the undersampling with a better digital filter, implemented in the algorithm of the PIC in the processor part that can decrease the Impedance Error; an improvement of the quality of the signal from the two mixers with a bigger difference between the FORWARD and REFLECTED waves that can permit a better computation of the phase shift; the implementation of the algorithm entirely inside the PIC with less communication between the PIC and the PC that can guarantee a faster computation of the final impedance; The increasing of the number of the channels from 2, already implemented in the algorithm and already tested, up to 16 channels, that the hardware can permit without any kind of changes but It was not done for lack of time. The thesis is dived into four chapters: • The first chapter starts with an introduction of the basis topic of the MRI recalling the fundamental principles of the MRI and the phenomenon that happens during the MRI acquisition. Then there is brief description of the hardware of an MRI scanner and a more detailed analysis of the different types of coils used for imaging. It also exposes the different kinds of manually and automatic matching networks from the past to the state of the art of this device. The paragraph related to the purpose of this thesis concludes the first chapter. • The second chapter provides all the information about the radio frequency background and some necessary basic concepts related with the RF such as SNR, Quality Factor, electric components and line theory. All this information is needed to better comprehends the core of the thesis based on the computation of the reflection coefficient and the respective impedance and showing these values in the Smith Chart. The second chapter ends with an explaination about the S-parameters and the different methods to reach the stability and the lowest noise figure. • The third chapter describes, after a brief introduction of the Network Analyser, all the different parts required by this instrumentation to record the signal and provide the impedance measurement. Then every section of the Network Analyser is compared with the new system providing all the information about the design and manufacturing process. The four sections clarified are: Source for stimulus; Signal-separation devices; Receiver that provides detection; Processor/display for calculating and reviewing the results. • The fourth and final chapter presents the results of, firsthly; first, the calibration process and then; the impedance measure through quantitative analysis and statistics. Trough charts and graphs the comparison between the data provided by Network Analyser and the new systematic. These results are obtained from the execution of the measurements of theoretic impedance changes. Finally, conclusions of this work are presented showing the limits encountered and proposing future developments with the aim of improving the system so far developed.

Lavorando indipendentemente, Felix Bloch dell’università di Stanford e Edward Purcell della Università di Harvard realizzarono il primo esperimento sulla risonanza magnetica con successo per studiare i componenti chimici nel 1946. Dr Bloch e Dr Purcell furono premiati con il Premio Nobel per la Fisica nel 1952. All’inizio degli anni ottanta i primi scanner di risonanza magnetica (MRI) divennero disponibili, producendo immagini dell’interno del corpo umano. La risonanza magnetica (MRI) è una tecnica di imaging usata prima di tutto nel campo medico per produrre immagini dell’interno del corpo umano di alta risoluzione. L’MRI è basata sul principio di risonanza magnetica nucleare (NMR), una tecnica spettroscopica usata dagli scienziati per ottenere informazioni microscopiche in ambito chimico e fisico riguardo le molecole. Questa tecnica fu chiamata risonanza magnetica invece che risonanza magnetica nucleare (NMRI) a causa della connotazione negativa associata con la parola nucleare alla fine degli anni settanta. La risonanza magnetica viene usata come tecnica di imaging tomografica, in quanto produce una immagine del segnale della NMR in una fetta sottile attraverso il corpo umano. Col passare del tempo l’MRI si è trasformata dalla sola tecnica di imaging tomografica ad una tecnica di imaging di volume. Quindi una MRI può essere ritenuta simile ad uno scanner di tomografia computerizzata (CT) poiché produce una immagine di cross-sezione del corpo. Guardare un’immagine del corpo di una cross-sezione può essere comparata al guardare all’interno di una fetta di pane ottenuta tagliandolo. A differenza di uno scanner CT, l’MRI non usa raggi X. Al contrario usa un forte campo magnetico e onde radio per produrre una immagine computerizzata molto chiara e dettagliata dell’interno del corpo umano. Infatti gli scanner MRI di nuova generazione forniscono immagini 2-D e 3-D altamente dettagliate della anatomia umana. MRI è comunemente usata per esaminare il cervello, la colonna vertebrale, i legamenti, l’addome, e il bacino pelvico. Il fenomeno di NMR si basa sull’eccitazione all’interno di un oggetto (come ad esempio un paziente), posizionato in un campo magnetico polarizzato, irradiando l’oggetto con un’energia RF per ottenere la frequenza di Larmor. Nella applicazioni diagnostiche medicali che sono tipicamente caratterizzati dal posizionamento del paziente, da esaminare, in una coil RF con un amplificatore RF di potenza. La stessa o un’altra coil e un preamplificatore RF sono usati, inoltre, per ricevere il segnale NMR emanato dal volume del paziente disteso all’interno del campo della RF coil. Per assicurare il massimo trasferimento di potenza tra l’amplificatore di potenza RF e la coil RF, e allo stesso modo tra la coil e l’amplificatore del ricevitore NMR, la impedenza di input della coil deve essere simile all’impedenza di output dell’amplificatore e all’impedenza di input e a quella del preamplificatore. Questo risultato può essere raggiunto usando una RF coil matching network. Dal passato ad oggi, diverse tecniche sono state usate per affrontare questo problema e provare a “matchare” l’impedenza, in modo da ottenere le migliori prestazioni di rapporto segnale rumore (SNR) e immagini con elevata risoluzione. Questo problema è anche legato con i due tipi diversi di RF coil: coil di volume e coil di superficie e quale di questi è migliore per l’MRI. Il più grande vantaggio delle coil di volume è la loro abilità di generare elevati campi omogenei polarizzati circolari B1, che si traduce in un segnale omogeneo di uguale sensitività nelle operazioni di ricezione. I due maggiori svantaggi di questi coil sono: la loro geometria fissa e il fatto che sono dei risonatori singoli di volume e perciò non riescono ad esplorare i benefici di una misurazione multi-canale. Le coil di superficie offrono una grande libertà rispettando la loro forma e la loro geometria in un array. Sono usate comunemente disposte attorno alla regione di interesse. Comunque, con coil larghe è difficile ottenere elevate prestazioni, facilità di gestione, e comfort per il paziente allo stesso tempo. Per un ottimo SNR ed elevate velocità di calcolo, gli array di coil hanno bisogno di adattarsi bene alla parte anatomica di interesse, che può variare significativamente in forma e grandezza in soggetti diversi. Cambiamenti tra un paziente e l’altro nella geometria dell’array indurrà variazioni nel loading e nel mutual coupling. Una volta ottenuta la massimizzazione delle performance del SNR, queste variazioni richiedono robuste e specifiche strategie di tuning, matching e decoupling. Klaas Prüssmann, nel 2009, ha introdotto il concetto di array geometricamente adattabili, affrontandolo solo per il caso specifico di imaging per il polso. Per questa ragione fu costruito un array di otto canali manualmente adattabile per il polso per un’MRI di 3 Tesla. L’array si adatta alla grandezza di polsi diversi attraverso un semplice meccanismo di scorrimento ed è stato progettato per assicurare delle performance di SNR robuste in un intervallo ampio di valori differenti di loading e coupling. Ma sarebbe impensabile in un setup clinico adattare e modificare ogni volta manualmente il matching e il tuning di un array di coil che dipende da pazienti diversi o da misurazioni diverse. Per tale motivo, Matteo Pavan, nel 2010, presenta un sistema di matching con un Metodo Automatico Modulare (AMM) che può facilmente essere esteso a matchare l’impedenze di output di molti canali diversi allo stesso tempo. Un punto da sottolineare di questo sistema è la capacità che ha di ottenere un matching di impedenze su qualsiasi punto desiderato del piano complesso. La parte principale di questo circuito di matching è un chip di guadagno nelle radiofrequenze e di fase (AD8302, Analog Device), dove un segnale di riferimento fisso, generato da un Oscillatore di Voltaggio Controllato (VCO) è introdotto in un doppio ibrido (con direttività migliore di 40 dB) e grazie all’isolamento tra le diverse porte dell’ibrido è possibile separare le onde principale e riflessa. Queste due onde sono introdotte nel chip di guadagno e di fase che restituisce come output due voltaggi costanti, uno proporzionale alla differenza di fase tra l’onda principale e quelle riflessa e l’altro proporzionale al rapporto del modulo dell’onda principale e il modulo dell’onda riflessa. Quindi i due diversi voltaggi sono dipendenti tra loro e il chip non è lineare. Infatti, quando la fase rilevata è vicina allo zero, il sistema non riesce a distinguere le fasi dove la differenza è di 180°. Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nel laboratorio di MRI del dipartimento di Biomedica nell’università ETH di Zurigo, Lo scopo di questa tesi è il miglioramento del sistema precedentemente usato da Pavan attraverso la creazione e l’uso di un modo innovativo di misurare le rispettive impedenze per il sistema automatico di matching. In particolare gli obbiettivi di questo nuovo sistema sono: • Nel nuovo sistema il segnale, in uscita dal doppio ibrido, è diviso in due diverse onde in modo totalmente indipendente una dall’altra. • Questo nuovo sistema può garantire una buona linearità delle misurazioni dell’impedenza e può differenziare i valori di impedenza in tutta la Smith Chart senza nessun tipo di problema di differenziazione di fase. • E’ possibile non soltanto misurare i parametri di scattering di riflessione S11 e S22 che erano calcolate anche nel sistema precedente, ma anche i parametri di scattering di trasmissione S12 e S21 che sono molto importanti per una calibrazione più precisa della matching network e per un calcolo più preciso dell’impedenza. Questa tesi offre una solida base per ulteriori sviluppi riguardo un sistema di matching hardware automatico per la risonanza magnetica di 7 Tesla. Il nuovo sistema sviluppato è facile da usare come schiacciare un tasto, con un Errore di Impedenza molto buono anche se ancora leggermente peggiore rispetto al sistema precedente. Comunque la più importante proprietà di questo nuovo sistema è la capacità di misurare i parametri S12 e S21 senza nessuna aggiunta o cambiamento nell hardware. Grazie a questo sistema sarà possibile effettuare una calibrazione a Due Porte durante un’acquisizione di MRI di un campione (es: paziente) con tutto l’hardware necessario all’interno della stanza di MRI. Ciò può offrire una misurazione di impedenza più specifica e accurata dei cambiamenti della coil in minor tempo (una misura di una impedenza impiega meno di 100 ms). Possibili sviluppi, focalizzati in un sistema migliore senza però aumentare il tempo globale di una misurazione di impedenza, potrebbero essere: un’ottimizzazione del sottocampionamento con un migliore filtro digitale, implementato nell’algoritmo del PIC nella parte di processore che può diminuire l’Errore di Impedenza; un miglioramento nella qualità del segnale proveniente dai due mixer con una differenza maggiore tra l’onda PRINCIPALE e quella RIFLESSA che può permettere un migliore calcolo della differenza di fase; l’implementazione dell’algoritmo interamente all’interno del PIC con un minor numero di comunicazioni tra il PIC e il PC che può garantire un calcolo più veloce dell’impedenza finale; l’aumento del numero di canali da due, già implementati nell’algoritmo e testati, fino a 16 canali, che l’hardware permette di usare ma senza nessun tipo di cambiamento, ma che per mancanza di tempo non si è riusciti a testare. La tesi è divisa in 4 capitoli: • Il primo capitolo comincia con una introduzione degli argomenti principali della MRI richiamando i principi fondamentali della MRI e i fenomeni che accadono durante un acquisizione di MRI. Successivamente viene fatta una breve descrizione dell’hardware della MRI, con un’analisi più dettagliata dei differenti tipi di coil usati per l’imaging. Inoltre vengono esposti i diversi tipi di matching network manuali e automatici dal passato fino allo stato dell’arte. Il paragrafo correlato con l’obiettivo di questa tesi conclude il primo capitolo. • Il secondo capitolo fornisce tutte le informazioni riguardo la radiofrequenza e alcuni concetti basilari necessari legati alla RF come ad esempio l’SNR, il fattore di Qualità, i componenti elettrici e la teoria della linea di trasmissione. Tutte queste informazioni servono a comprendere meglio il cuore della tesi basata sul calcolo del coefficiente di riflessione e del calcolo dell’impedenza corrispondente e mostrare questi valori nella Smith Chart. Il secondo capitolo termina con la spiegazione dei parametri S e dei differenti metodi usati per raggiungere la stabilità e la minore figura di rumore. • Il terzo capitolo descrive, dopo una breve introduzione sul Network Analyzer, tutte le diverse parti che permettono a questo strumento di registrare il segnale e di fornire la misura dell’impedenza. Dopodiché ogni sezione del Network Analyzer viene confrontata con il nuovo sistema provvedendo a fornire tutte le informazioni riguardanti la fase di progettazione e costruzione. Le quattro sezioni elencate sono: La sorgente di stimolo; il device per la separazione del segnale; la parte dedicata alla ricezione del segnale; il Processore / Display per il calcolo e la revisione dei risultati. • Il quarto ed ultimo capitolo presenta i risultati ottenuti riguardanti, prima il processo di calibrazione e successivamente le misure delle impedenze attraverso un’analisi quantitativa e statistica dei dati. Inoltre, usando schemi e grafici è stato possibile mostrare il confronto tra i dati misurati dal Network Analyzer e quelli del nuovo sistema. Questi risultati sono ottenuti da misurazioni di cambiamenti teorici di impedenza. Alla fine, Vengono presentate le conclusioni di questo lavoro mostrando i limiti incontrati e proponendo sviluppi futuri con l’intento di migliorare il sistema precedentemente sviluppato.